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鏈霉菌能產(chǎn)生豐富的次級代謝產(chǎn)物，目前臨床上應(yīng)用的抗生素約三分之二由該屬微生物產(chǎn)生，因此鏈霉菌被稱為藥物合成的天然細(xì)胞工廠。然而，自然界分離得到的野生鏈霉菌抗生素合成水平很低，難以滿足產(chǎn)業(yè)化的要求；已產(chǎn)業(yè)化的工程菌株需要不斷提高產(chǎn)量，以降低生產(chǎn)成本。因此，如何獲得鏈霉菌高產(chǎn)菌株成為幾十年來對其進(jìn)行基礎(chǔ)及應(yīng)用研究的重要主題之一。

在微生物合成生物學(xué)改造過程中，通過表達(dá)控制元件對相關(guān)生物合成途徑進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，能顯著提高目標(biāo)產(chǎn)物的生物合成能力。然而，對于重要的抗生素生產(chǎn)者鏈霉菌，由于缺少必要的表達(dá)控制元件積累，尚沒有精細(xì)調(diào)控策略的相關(guān)報(bào)道，這嚴(yán)重制約了鏈霉菌的工程改造。中國科學(xué)院微生物研究所微生物生理代謝研究組立足于這一問題，開發(fā)了一系列鏈霉菌合成生物學(xué)研究必要的表達(dá)控制元件，2013年，開發(fā)了鏈霉菌強(qiáng)啟動子kasOp*；2015年，篩選了166個(gè)具有不同強(qiáng)度的鏈霉菌普適的組成型啟動子；2016年，開發(fā)了可用于“適時(shí)”、“適量”的表達(dá)控制的鏈霉菌誘導(dǎo)表達(dá)系統(tǒng)Potr*。這些工作豐富了鏈霉菌合成生物學(xué)元件庫。目前，這些元件該已被Jay D Keasling等國內(nèi)外50多課題組廣泛使用。

近日，微生物生理代謝研究組利用以上元件研究發(fā)現(xiàn)，次級代謝產(chǎn)物的合成時(shí)序與鏈霉菌前體供應(yīng)等生理狀態(tài)不匹配是制約產(chǎn)量提高的重要原因之一。為解決這一問題，該研究組利用鏈霉菌時(shí)序啟動子，建立優(yōu)化、適配次級代謝產(chǎn)物生物合成的全新自調(diào)控策略。首先，利用誘導(dǎo)啟動子在“時(shí)間”和“強(qiáng)度”兩個(gè)維度優(yōu)化鏈霉菌次級代謝合成基因簇的表達(dá)，找到高產(chǎn)的*條件；然后，在該*條件下進(jìn)行全局時(shí)序轉(zhuǎn)錄譜分析，篩選和誘導(dǎo)啟動子一致的生理時(shí)序啟動子；zui后，利用篩選的生理啟動子替換誘導(dǎo)啟動子實(shí)現(xiàn)次級代謝合成基因簇的優(yōu)化表達(dá)。這一策略對提高鏈霉菌次級代謝產(chǎn)物產(chǎn)量具有普遍意義。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Synth Biol上。

這一策略在微生物生理代謝研究組與河北圣雪大成制藥有限責(zé)任公司的合作項(xiàng)目中得到應(yīng)用，使公司四環(huán)類抗生素生產(chǎn)菌產(chǎn)量得到顯著提高。研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。(生物谷Bioon.com）